金属凝固过程瞬态传热分析：触感技术与ANSYS应用

金属材料凝固过程的瞬态传热分析是金属加工和触摸感应技术中的一项关键课题，尤其是在基于触觉感知（Capacitive Sensing, CAPS）的应用中。此部分主要探讨了如何利用ANSYS这样的高级数值模拟软件来进行精确的热力学分析。具体案例涉及一个钢件的铸造过程，其热力学参数如表8-3所示，反映了钢材在不同温度下的热传导性和熵值。型砂的热力学参数也在表8-4中列出，包括热传导系数、密度和比热容。 在进行瞬态传热分析时，ANSYS GUI（图形用户界面）被用于建立计算模型。首先，根据问题的对称性，模型简化为只考虑半边，如图8-3所示。建模的关键步骤包括： 1. 定义单元：选择适当的有限元网格，将铸件和型砂区域划分为一系列互相连接的小单元，这些单元能够模拟整个系统的热传递行为。 2. 材料属性设置：输入型砂和钢材的固定热参数，如热传导系数，确保每个单元都准确反映了各自的物理特性。 3. 边界条件设定：设定初始温度，如钢件的初始温度为2875°F，型砂为80°F，这是传热分析的重要起点。 4. 时间步长和迭代控制：确定时间步长和收敛准则，以便模拟凝固过程中热量的流动和温度随时间的变化。 通过有限元方法，这个模型能够解决金属材料在凝固过程中复杂的传热问题，这对于理解和优化铸件冷却过程，提高产品质量和生产效率至关重要。此外，这种技术还可应用于触摸感应技术，比如CAPS系统，通过监测热量分布来感知接触压力或表面温度变化，进而实现各种传感应用。 该部分内容深入介绍了有限元分析的基础概念，它在实际工程中的应用广泛，例如静力结构分析、结构振动分析、传热过程分析，甚至包括弹塑性材料的处理。书中以MATLAB编程语言和ANSYS软件为例，详细展示了理论和实践的结合，使得学习者不仅能够理解原理，还能掌握实际操作技巧。 总结来说，金属材料凝固过程的瞬态传热分析是一个将理论与实践相结合的重要环节，它涉及到有限元方法的应用，尤其是ANSYS软件的使用，对于工程师、科研人员以及希望提升自身技能的专业人士来说，理解和掌握这一技术具有很高的实用价值。